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拓扑与电路 ★ 5.0

探索面向未来技术节点的硅纳米片CMOS反相器有前景架构

Finding a Promising CMOS Inverter Architecture With Silicon Nanosheet for Future Technology Node

作者 Anjali Goel · Akhilesh Rawat · Brajesh Rawat
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年3月
技术分类 拓扑与电路
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 硅纳米片CMOS逆变器 CFET逆变器 性能分析 功耗 技术节点
语言:

中文摘要

在本研究中,我们系统地探究了基于硅纳米片(NSH)的互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器的静态和动态性能,这些反相器包括互补场效应晶体管(CFET)、叉片式(FSH)和标准堆叠纳米片(s - NSH)结构,适用于5纳米及更先进的技术节点。CMOS反相器的性能分析是通过在完全校准的技术计算机辅助设计(TCAD)模拟中进行三维工艺模拟完成的,该模拟基于玻尔兹曼输运方程和泊松方程的自洽求解,并包含量子和迁移率修正项。我们的研究结果表明,在1纳米技术节点下,与s - NSH反相器相比,CFET反相器取得了显著进展,工作频率提高了约3.7%,功耗降低了约3.7%,同时面积缩小了约60.8%。虽然FSH反相器在性能指标上略逊于CFET反相器,但在相同功率水平下,其频率仍比s - NSH反相器提高了约3%,面积缩小了约6.9%。此外,CFET对工艺参数变化表现出更强的耐受性,这些参数变化包括掺杂波动、氧化物厚度、界面陷阱电荷和沟道厚度。这种鲁棒性,再加上其紧凑的设计和出色的栅极静电控制能力,使得CFET反相器在所有评估的技术节点和设计参数下始终优于FSH和s - NSH反相器。这些优势使CFET反相器成为未来超大规模技术节点和低功耗逻辑应用的首选。

English Abstract

In this work, we systematically explore the static and dynamic performance of silicon nanosheet (NSH)-based complementary metal-oxide–semiconductor (CMOS) inverters, including complementary field-effect transistor (CFET), forksheet (FSH), and standard stacked NSH (s-NSH) configurations, for the 5 nm and beyond technology node. The performance analysis of CMOS inverters is conducted using 3-D process simulations in fully calibrated technology computer-aided design (TCAD) simulation, which is based on the self-consistent solution of the Boltzmann transport equation and Poisson’s equation with quantum and mobility correction terms. Our findings reveal that the CFET inverter achieves remarkable advancements by offering around a 3.7% boost in operating frequency and around −3.7% reduction in power dissipation while decreasing the area footprint by approximately −60.8% compared with the s-NSH inverter for the 1-nm technology node. Although the FSH inverter slightly lags behind CFET in performance metrics, it still outperforms the s-NSH inverter by delivering an around 3% increment in the frequency at an equivalent power level and an area reduction of around −6.9%. Furthermore, CFET demonstrates superior resilience to process parameter variations, including doping fluctuation, oxide thickness, interface trap charges, and channel thickness. This robustness, combined with their compact design and excellent gate electrostatic control, enables CFET inverters to consistently outperform both FSH and s-NSH inverters across all evaluated technology nodes and design parameters. These advantages firmly establish the CFET inverter as the preferred choice for future ultrascale technology nodes and low-power logic applications.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于硅纳米片CMOS逆变器架构的研究虽然聚焦于半导体制程技术,但其底层创新对我们的核心产品具有重要的间接价值。需要明确的是,论文中的"inverter"指的是数字逻辑电路中的反相器,而非我们的光伏逆变器产品,但其技术突破对我们的功率电子控制系统具有战略意义。

该研究展示的CFET架构在5纳米及以下技术节点实现了显著的性能提升:频率提升3.7%、功耗降低3.7%、面积减少60.8%。这些指标对阳光电源的数字控制芯片和MPPT算法处理器至关重要。我们的光伏逆变器和储能系统中,高性能低功耗的控制芯片直接影响系统效率、响应速度和可靠性。采用先进制程的控制芯片可以实现更复杂的算法、更快的功率调节响应,以及在极端环境下更稳定的运行表现。

从技术成熟度评估,该技术仍处于实验室研究阶段,距离商业化量产尚需5-8年时间。对阳光电源而言,短期内应关注与领先芯片供应商的合作,确保在先进制程芯片商用化时能够第一时间应用于我们的产品线。长期来看,这类技术的进步将推动整个功率电子行业向更高集成度、更低能耗方向发展。

技术挑战在于先进制程芯片的成本和供应链稳定性。机遇则体现在:通过采用更先进的控制芯片,阳光电源可以在系统级实现差异化竞争优势,特别是在大型储能系统和工业级应用中,控制精度和响应速度的提升将直接转化为经济效益。建议我们的研发团队持续跟踪此类半导体前沿技术,并在产品规划中预留技术升级路径。